實時動態(tài)差分法(RTK)技術(shù)的應(yīng)用與質(zhì)量控制

侯世芳

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣東總隊，廣東 廣州 511400）

1 RTK 技術(shù)

RTK（Real-TimeKinematic）技術(shù)始于 20 世紀90年代初,是基于載波相位觀測值基礎(chǔ)上的實時動態(tài)定位技術(shù)。RTK 技術(shù)的工作模式是在已知點上架設(shè)基準站,接受機借助電臺將其觀測值及坐標信息,發(fā)送給流動站接收機,流動站接收機通過電臺(數(shù)據(jù)鏈)接受來自基準站的數(shù)據(jù),同時還要采集GPS 觀測數(shù)據(jù),在系統(tǒng)內(nèi)形成載波相位差分觀測方程,采用卡爾曼濾波技術(shù),在運動中初始化求出整周模糊度,并進行實時處理,求得其三維坐標(X,Y,Z),精度可達厘米級。

由于RTK 實時動態(tài)測量具有實時、高效的特點,在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,但在測量成果的精度和可靠性方面,從其誕生之日起就充滿了爭議。RTK 技術(shù)的出現(xiàn),幾乎完全改變了傳統(tǒng)地控制測量方法,然而RTK 的測量技術(shù)還存在一定的局限性,比如遮擋、強磁場干擾、太陽黑子及超遠距離等因素都對測量質(zhì)量有一定的影響,甚至可導(dǎo)致無法測量。RTK 的關(guān)鍵技術(shù)是初始整周模糊度的快速解算,數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)母呖煽啃院蛷娍垢蓴_性。RTK 系統(tǒng)原理雖然很復(fù)雜,但從應(yīng)用角度來講,還是相當(dāng)簡單和方便的,只要有足夠數(shù)量的衛(wèi)星且具有較好的幾何分布,并且基準站與移動站間的數(shù)據(jù)通訊良好,就可以進行測量。

2 RTK 技術(shù)在地質(zhì)勘查區(qū)一級圖根控制點測量中應(yīng)用

前一段時間,我們對某金屬礦地質(zhì)勘查區(qū)布設(shè)了四等控制網(wǎng),在此基礎(chǔ)上用GPS 快速靜態(tài)方法布設(shè)了13 個GPS 控制點,經(jīng)觀測合格并采用南方GPS 數(shù)據(jù)處理軟件平差,然后采用RTK 雙次測量技術(shù)進行了復(fù)測。

(1)作業(yè)方法:在測區(qū)中部選擇四等控制點架設(shè)RTK 基準站及電臺等,并連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星;RTK 移動站依次到各點測量。重要的是第二次測量時需重置整周模糊度,并把雙次測量數(shù)據(jù)的平均值作為成果。

(2)作業(yè)精度：平面10mm+2ppm;高程20mm+2ppm。

(3)作業(yè)要求:在觀測時段內(nèi)應(yīng)確保有5 顆以上衛(wèi)星可供同步觀測;移動點與基準點距離應(yīng)不超過10km。

(4)RTK 方法的優(yōu)點是作業(yè)速度快、精度高。

3 RTK 技術(shù)在地質(zhì)工程點測量中應(yīng)用

3.1 作業(yè)方法:在測區(qū)中部選擇遠離各種強電磁干擾源、周圍應(yīng)無明顯的大面積的信號反射物、視野開闊的相對制高點等觀測條件良好的控制點架設(shè)基準站,并連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星;RTK 移動站依次到礦區(qū)鉆孔、探井、探槽、勘探線、地質(zhì)點等地質(zhì)工程點測量。

表1 RTK 測量的成果精度統(tǒng)計

3.2 作業(yè)要求：在觀測時段內(nèi)應(yīng)確保有5顆以上衛(wèi)星可供同步觀測;移動點與基準點距離應(yīng)不超過10km。

表1 中的Mp、Mh 和Mp+h 是指點位在平面、高程和空間位置的均方根(RMS)。以上精度統(tǒng)計中可以看出RTK 測量完全滿足一般地質(zhì)工程點的測量精度要求。

4 RTK 坐標轉(zhuǎn)換

由于我國大多采用1980 國家坐標系、1954年北京坐標系或地方獨立坐標系等坐標系統(tǒng)。RTK 測量應(yīng)進行坐標轉(zhuǎn)換。當(dāng)要求高程精度較高時,轉(zhuǎn)換參數(shù)必須考慮高程要素。如果無法滿足高程精度要求,可對RTK 數(shù)據(jù)后處理,按高程擬合、大地水準面精化等方法求解高程值。

對于一定區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)工程測量,我們往往利用以往的控制點成果求取“區(qū)域性”的轉(zhuǎn)換參數(shù),以便適用于需要的坐標系統(tǒng)。其區(qū)域性,理論上消弱了變形影響,提高了轉(zhuǎn)換的可靠性。基準站的WGS84 坐標的獲得方法有2 種:

(1)使用已有的靜態(tài)數(shù)據(jù),直接將控制點的WGS84 坐標和地方坐標輸入手簿直接求取;

(2)使用上點采集的方式獲取,此種方法是在無WGS84 成果的情況下使用。具體做法如下:基準站的WGS84 坐標直接從手簿中讀取,然后將移動站安置于控制點上采集WGS84 坐標,每次測量前總要先對測區(qū)進行點校正 (WGS84 地心坐標與所需坐標系間的轉(zhuǎn)換)。即測前應(yīng)在測區(qū)邊沿選擇3 個分布均勻的控制點進行點校正,求解坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)。測量時應(yīng)以其它已知控制點作為檢核,當(dāng)檢核精度滿足擬測量等級時,方可開始正常作業(yè)。將校正參數(shù)記錄在筆記本上,每次測量前應(yīng)認真核對本參數(shù),確保本測區(qū)參數(shù)的唯一性。

5 質(zhì)量控制

在RTK 外業(yè)測量中主要的誤差是多路徑誤差,多路徑誤差對點位坐標的影響,在一般環(huán)境下可達5～9cm,在高反射環(huán)境下可達15cm;在高反射環(huán)境(城鎮(zhèn)、水體旁、沙灘、飛機、艦船等)下,碼信號受多徑誤差的影響,可導(dǎo)致接收機的相位失鎖;實踐證明,觀測值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。

接收機天線附近的水平面、垂直面和斜面都會使GPS 信號產(chǎn)生鏡反射。天線附近的地形地物,例如道路、樹木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構(gòu)成鏡反射。因此,選擇GPS點位時應(yīng)特別注意避開這些地形地物,采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。

由于RTK 測量有時會出現(xiàn)點位坐標漂移誤差,當(dāng)按設(shè)計要求進行RTK 作業(yè)時,在距離和測回數(shù)都按設(shè)計掌握時,仍有部分測點超限時,只有通過減小測距和增加測回數(shù)加以解決。

5.1 成果檢驗

應(yīng)加強對RTK 成果的檢驗。對RTK 成果的外業(yè)檢查可以采用下列方法進行:與已知點成果的比對檢驗、對同一點的測量檢驗、已知基線長度測量檢驗、不同基準站對同一測點的檢驗。對測繪的地形圖采用常規(guī)作業(yè)方法檢查。

RTK 作業(yè)后,應(yīng)認真總結(jié)作業(yè)方法,統(tǒng)計測量精度,做好測量報告的編寫工作,以便逐步完善RTK 作業(yè)方法。

5.2 如何判斷觀測質(zhì)量

5.2.1 直接查看觀測手簿上的收斂值:目前大多數(shù)RTK 儀器都已采用OTF 方法計算整周模糊度,大大縮短了解算時間。因此,在無干擾的測區(qū),儀器鎖定衛(wèi)星在5 顆以上時,5s 內(nèi)RTK 測量即獲得固定解,手簿顯示的收斂值一般在2cm以內(nèi)。此時的收斂值真實地反映了天線中心測量的內(nèi)符合精度。若RTK 測量60s 以上才得到固定解,此時的收斂值可能存在偽值。需要進一步確認。

5.2.2 已知點比較法:作為RTK 測量起算數(shù)據(jù)的高級控制網(wǎng),一般用GPS 靜態(tài)獲得,具有很高的可靠性。為檢核坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)、已知數(shù)據(jù)輸入及RTK 測量各種過程的正確性,可以通過將已知點納入到測量鏈中的方式進行檢查,這是一種十分有效的方法,可在任何情況下時使用。

5.2.3 重復(fù)測量判定觀測質(zhì)量:少數(shù)測區(qū)存在一些干擾源,造成RTK 測量質(zhì)量不正常。導(dǎo)致觀測成果出現(xiàn)較大誤差甚至有偽值現(xiàn)象。這種情況觀測時不易發(fā)現(xiàn),可從手簿上反映出收斂很慢,求得固定解一般需要幾十秒甚至幾十分鐘才能完成,其收斂值一般在2～8cm 之間。這時手簿上顯示的收斂值可能不完全真實,有時測量誤差可能達到幾十厘米甚至幾米。當(dāng)出現(xiàn)此種情況時,要慎重對待采集的數(shù)據(jù),最好重置整周模糊度重復(fù)采集數(shù)據(jù)以檢核觀測質(zhì)量,或用另一臺移動站重復(fù)采集數(shù)據(jù)來判定觀測質(zhì)量。每次初始化成功后,或測量2～4h 左右應(yīng)重合1～2 個已測過的RTK 點,以此來檢查基站設(shè)置的正確性和測量鏈過長后可能產(chǎn)生的點位坐標漂移誤差,這種方法可以在首站完成后的設(shè)站時使用。

5.2.4 成果整理時應(yīng)注意以下2 點：①JOB文件必須建立在DISK 目錄下,以確保數(shù)據(jù)的安全；②測量結(jié)束后應(yīng)對兩組成果進行比較,較差小于5cm 的取中數(shù)使用,大于5cm 的應(yīng)返工重測。

6 結(jié)語

雖然RTK 技術(shù)已相當(dāng)成熟,并被廣泛應(yīng)用,但是由于地質(zhì)勘探測量工作通常在山地、丘陵地區(qū),使用RTK 進行測量時經(jīng)常遇到衛(wèi)星跟蹤受影響和數(shù)據(jù)通訊不穩(wěn)定的問題。這種情況下,只能采用快速靜態(tài)測量與常規(guī)測量相結(jié)合,運用解析法或圖解法進行測量。與傳統(tǒng)的光學(xué)測量方法相比,GPS RTK 作業(yè)觀測速度較快,能夠提供精度為cm 級測量成果,可以滿足勘探測量的技術(shù)要求,非常適合于地質(zhì)勘探工程中的測量,可以減少大量的工作強度,大大提高工作效率及成果質(zhì)量,帶來更大的經(jīng)濟效益。